Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 6
Текст из файла (страница 6)
В литературе они получили название геометрических параметров Полинга— Кори; 2) пептидная группа считалась плоской. Возможны две плоские конфигурации группы, отличающиеся взаимным расположением связей Х вЂ” Н и С=О, цис- и транс-переход между ними связан с преодолением высокого потенциального барьера [-20 ккал/моль). При построении моделей Полинг и Кори отдали предпочтение транс-конфигурации пептидной группы.
По оценке Р. Кори и Дж. Донахью, отклонение от плоского строения группы на 10' вызывает повышение энергии приблизительно на 1,5, а на 30' — на б ккал/моль [бб]; 3) предполагалась полная насыщенность полипептидной цепи водородными связями. Для водородной связи Х вЂ” П...О=С были приняты следующие геометрические и энергетические оценки: расстояние Х...О считалось равным 2,8 А, максимальное отклонение от линейности Х вЂ” Н...О не должно превышать 30' и энергия связи — 8,0 ккал/молгд 4) при построении моделей пептидной цепи выбирались наиболее благоприятные ориентации пептидиых групп, разделенных атомом С', с учетом потенциалов внутреннего вращения вокруг связей С' — Х и С' — С' и ван-дер-ваальсовых контактов между атомами; 5) конформационные состояния всех звеньев пептидной цепи считались эквивалентными. Рассмотрев предложенные ранее структуры полипептидов, Полинг н Кори нашли, что все они не удовлетворяют приведенным требованиям и должны быть отвергнуты.
Авторы предложили две новые структуры (а и у) и структуру складчатого листа (р). Как известно, до работ Полинга и Кори было разработано большое число молекулярных моделей полипептидов, а Брэгг, Кендрью и Перутц проанализировали этот вопрос в общем виде и как будто предусмотрели все возможные варианты. Как же в таких случаях удалось предложить совершенно новые структуры? Это объясняется двумя обстоятельствами.
Одно из них связано с более жесткими требованиями, предъявленными Полингом и Кори к геометрии полипептидов; другое, сыгравшее решающую роль, — с предположением о реализации спиралей с нецелочисленными винтовыми осями симметрии. Во всех предпринимавшихся ранее поисках структур полипептндов использовались элементы симметрии атомных и низкомолекулярных кристаллов, В этом случае винтовые оси, действительно, могут быть только целочисленными. По отношению к отдельной макромолекуле требование, чтобы спираль содержала только целое число аминокислотных остатков на виток, не может быть оправдано соображениями физического порядка. Использование до По- линга и Кори целочисленных винтовых осей — результат автоматического перенесения кристаллографического принципа симметрии на спиральные полимерные объекты, т.е.
в область, где он не работает. Рассмотрим структуры, предложенные Полингом я Кори. а-Спираль. Структура характеризуется следующими параметрами: высота витка 5,4 А, проекция остатка на ось 1,5 А, период идентичности 27,0 А, в который входят 18 аминокислотных остатков, Таким образом, в одном витке а-спирали находится 3,6 остатка; совмещение остатков происходит при повороте на 100' и перемещении вдоль осн на 1,5 А. Все пептидные группы соединены между собой водородными связями типа 5 — з 1, при котором группа С=О 1-го остатка связана с Х вЂ” Н-группой (ьь4)-го остатка. В замыкаемый водородной связью цикл входят 13 атомов. В номенклатуре Брэгга, Кендрью и Перутца а-спираль имеет обозначение З,бгь Таких спиралей может быть две: с правым и левым направлениями закрутки. У полиглицина правая н левая а-спирали эквивалентны.
Во всех остальных случаях разное направление закрутки приводит к различной ориентации боковых цепей относительно пептидного остова. Вопрос о том, какая из а-спиралей более стабильна, Полингом и Кори решен не был. у-Спираль. Этот вид спирали содержит 5,1 аминокнслотного остатка на виток с высотой витка 5,0 А и проекцией остатка на ось 0,9 А, имеет водородную связь типа 7 — з 1, которая замыкает кольцо из 19 атомов (5,1р,). р-Структура складчатого листа.
В течение многих лет предполагалось, что фиброин шелка, фибриллярные белки р-формы и белки группы )с.ш.е.й в растянутом состоянии представляют собой вытянутые плоские полипептидные цепи, взаимодействующие посредством водородных связей с соседними цепями, которые находятся в одной плоскости н имеют противоположное направление. Л. Полннг и Р. Кори 22 показали,что такая плоская антипараллельная р-структура исключается для всех полипептидов, кроме полиглицина, из-за напряжений, возникающих по стерическим причинам между боковыми радикалами соседних цепей. Они предложили структуру складчатого листа, в которой отсутствует перекрывание ван-дер-ваальсовых радиусов атомов и в то же время не нарушается сетка водородных связей. Складчатые листы отдельных пептндных цепей могут образовывать параллельные и антилараллельные р-структуры.
Кроме того, одна полипептидная цепь в результате ее систематических изгибов может складываться в так называемую красс-(3-структуру. Л. Полинг и Р. Кори рассмотрели все возможные конформации в минимумах торсионных потенциалов вращения вокруг связей С' — Х и С' — С' н пришли к выводу, что а-спираль и складчатый лист отвечают наиболее предпочтительным ориентациям смежных пептидных групп. Что же касается у-спирали, то она не оказалась в числе низкоэнергетических структур. При учете только торсионного потенциала эта спираль, по оценке Полинга и Кори, менее стабильна, чем а-спираль, на 2,3 ккал/моль. В отличие от компактной а-спирали, имеющей хорошие ван-дер-ваальсовы контакты, у-спираль представляет собой более рыхлую цилиндрическую структуру с отверстием около 2,5 А.
Л. По- линг и Р. Кори не только сформулировали требования к геометрии полипептидной цепи и предложили удовлетворяющие им структуры, но и проанализировали имеющийся для белков и синтетических пептидов экспериментальный материал (67 — 711. Они пришли к заключению, что а-спираль и Д-структура весьма распространены среди фибриллярных и глобулярных белков, а также гомополипептидов. В частности, было предложено, что а-кератин и другие белки этой группы имеют структуры, близкие а-спирали, а б-кератин состоит из слоев складчатого листа, между которыми находятся двойные слои а-спиралей.
К суперконтракционной форме кератина и миознна была отнесена у-спираль. Для коллагена Полинг и Кори предложили трехцепочечную, скрученную в жгут конформацию. В тройной спирали коллагена полипептидные цепи также имеют спиральную форму с меньшим шагом. Из-за большого содержания в коллагене пролина и оксипролина (30%) а- н у-спирали не могут реализоваться по стерическим причинам и из-за отсутствия многих водородных связей. Поэтому для единичных цепей коллагена предложена спираль с винтовой осью 9-го порядка. Л.
Полинг и Р. Кори рассмотрели конформации пептидных цепей в гемоглобине и миоглобине. Ранее Перутц и Кендрью установили, что эти белки содержат участки повышенной плотности, которые имеют очертания стержней [72, 731. Они предположили, что стержни обладают той же структурой, что и а-кератин. Л. Полинг и Р. Кори приписали гемоглобину и миоглобину а-спиральное строение и высказали мысль, что такая конформация полипептидной цепи характерна и для других глобулярных белков, т.е, а-спираль имеет фундаментальное значение в пространственной организации белковых молекул. В то время были получены первые рентгенограммы синтетических полипептидов: поли-у-метил- и поли-у-бензил-В-глутамата, и изучены их 23 дихроичные инфракрасные спектры. Л.
Полинг и Р. Кори показали, что эти экспериментальные данные полностью отвечают а-спирали. Подводя итог циклу работ Полинга и Кори, можно отметить следующее. 1. Были четко сформулированы геометрические требования к полипептидной цепи, в основу которых положены экспериментальные данные о геометрических параметрах амидов и простейших пептидов, водородной связи Х вЂ” Н...О=С, а также представление об электронном строении пептидной группы, следующих из первых квантовохимических расчетов. 2. Для своего времени Полинг и Кори наиболее детально учитывали условия упаковки полипептидной цепи, считая стабильными те конформации, которые отвечали минимумам торсионных потенциалов. Тем самым косвенно учитывались невалентные взаимодействия атомов, так как торсионные потенциалы не противоречат атом-атомным потенциалам ван-дер-ваальсовых взаимодействий.
3. Для полипептидной цепи предложен ряд структур. среди которых выделены в качестве самых стабильных а-спираль и р-складчатый лист. Позднее стали ясны причины уникальности этих структур. В а-спирали н (3- складчатом листе имеет место полная согласованность между всеми видами взаимодействий. Они являются оптимальными не только с точки зрения стопроцентной реализации пентидных водородных связей, на что прежде всего обращали внимание Полинг и Кори, но отвечают также наилучшим условиям невалентных взаимодействий атомов пептидного остова и минимумам торсионных потенциалов.
Структуры По- линга и Кори удовлетворяли наблюдаемым картинам рентгеновской дифракции, поляризованным инфракрасным спектрам, равенству плотностей а- и р-форм, объясняли эластичные свойства фибриллярных белков и полипептидов, т.е. обратимый и ~~ й-переход; 4. Л. Полинг и Р. Кори, проанализировав опытный материал, касающийся пространственного строения белков и синтетических полипептидов, пришли к выводу об их структурной общности. Таким образом, предположение, впервые высказанное Астбери, поддержанное Хаггинсом, а также Брэггом, Кендрью и Перутцем, о том, что структуры фибрнллярных и глобулярных белков и синтетических полипептидов могут быть описаны с помощью ограниченного набора канонических форм-блоков, получило в работах Полинга и Кори подтверждение и дальнейшее развитие.
Еще более укрепилось представление о водородной связи как о главном факторе, формирующем структуру белка. Структуры Полинга и Кори, как отмечалось выше, удовлетворяли всем известным в то время экспериментальным данным, в частности рентгеновской дифракции. Однако этим же данным не противоречили и многие другие, ранее предложенные структуры, Интересно то обстоятельство, что сразу же после работ Полинга и Кори был обнаружен ряд новых экспериментальных фактов, которые согласовывались с предложенными ими моделями и противоречили всем остальным.
Наиболее сильным доводом в пользу а-спирали явились наблюдение и интерпретация Перутцем меридионального рефлекса 1,5 А [741. Первоначально его открыл еще в 1943 г. И. Макаптур в рентгенограмме а-кератина [75[,Однако ни сам автор,ни другие исследователи не придали этому наблюдению серьезного значения.М. Перутц обнаружил такой рефлекс в дифракционных картинах многих синтетических полипептидов и и-форм фибриллярных белков. Рефлекс 1,5 А получается за счет дифракции ренгеновских лучей от плоскостей, проходящих перпендикулярно оси волокна через аминокислотные остатки, образующие спираль, Ннтервал чередования остатков, т.е.
проекция каждого остатка на винтовую ось а-спирали 3,6, равен 1,5 А. Таким образом, этот рефлекс точно отвечает только а-спнрали и никакой другой структуре. Он был найден в дифракционных картинах поли-у-метил- и поли-у-бензин-Е- глутамата, а-кератина, миозина, тропомиозина, эпидермина и ряда других фибриллярных белков а-формы, а также гемоглобина и миоглобина. Дальнейшее доказательство реализации а-спирали в синтетических полипептидах было получено У. Кокраном и Ф.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
